(57)【要約】【課題】異なる誘電率を有するナノチューブ状物質の混合物から、所望の誘電率を有するナノチューブ状物質を簡便に分離することが困難である。【解決手段】本発明のナノチューブ状物質の分離方法は、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、前記ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、
前記第１のナノチューブ状物質または前記第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を前記基準方向と略平行な方向に配向させ、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる、
ことを特徴とするナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項２】
前記電磁的作用は偏光方向を制御したレーザー光を照射するものであり、前記基準方向は前記偏光方向であることを特徴とする請求項１に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項３】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記基準方向は前記交流電場の振動方向であることを特徴とする請求項１に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項４】
前記第１のナノチューブ状物質は金属性を有し、前記第２のナノチューブ状物質は半導体性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離方法。
【請求項５】
第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、前記ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、
前記第１のナノチューブ状物質または前記第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を前記基準方向と略平行な方向に配向させ、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させ、
前記フィルタを通過したナノチューブ混合溶液から、前記第１のナノチューブ状物質または前記第２のナノチューブ状物質のうち、配向されていないナノチューブ状物質を回収する、
ことを特徴とするナノチューブ状物質の製造方法。
【請求項６】
第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液を収容する収容部と、前記収容部に連結され、前記第１のナノチューブ状物質または前記第２のナノチューブ状物質を回収する回収部と、
前記収容部に設けられ、前記ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値と前記ナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタと、
前記ナノチューブ混合溶液に対して、前記フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用であって、前記第１のナノチューブ状物質または前記第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を前記基準方向と略平行な方向に配向させる電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置と、
前記フィルタと前記ナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる移動機構、
とを有することを特徴とするナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項７】
前記収容部は、前記ナノチューブ混合溶液を貯蔵する貯蔵容器と、前記ナノチューブ混合溶液を流通させる流路とを含み、
前記移動機構は、前記ナノチューブ混合溶液が前記貯蔵容器から流出して前記流路内を流動し、前記フィルタを通過するように前記貯蔵容器と前記流路が配置された構成を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項８】
前記移動機構は、前記フィルタを前記収容部内で移動させるフィルタ移動装置を有することを特徴とする請求項６に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項９】
前記電磁的作用は偏光方向を制御したレーザー光を照射するものであり、前記電磁的作用発生装置は、前記偏光方向が前記基準方向と略平行なレーザー光を発生させるレーザー光発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項１０】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記電磁的作用発生装置は、電場の振動方向が前記基準方向と略平行な交流電場を発生させる交流電場発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【請求項１１】
前記電磁的作用は交流電場を印加するものであり、前記電磁的作用発生装置は、電場の振動方向が前記基準方向と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のナノチューブ状物質の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノチューブ状物質の分離方法、製造方法及び分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートル程度のサイズを持つチューブ状の物質からなるナノチューブ材料は、機械的、電気的、光学的な領域における応用が期待されている。ナノチューブ材料としては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノチューブ、有機ナノチューブ、シリコンナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤなどが知られている。これらのナノチューブ材料は、直径や構造の違いにより誘電率の異なるナノチューブ材料を含む混合材料となる場合がある。
【０００３】
特に単層カーボンナノチューブについては、チューブの直径、巻き具合によって誘電率の異なるナノチューブが得られること、それらは金属性と半導体性という２つの異なる性質に分かれることが知られている。すなわち、現在知られている製造方法を用いて単層カーボンナノチューブを合成すると、半導体性を有する単層カーボンナノチューブと金属性を有する単層カーボンナノチューブが統計的に２：１の割合で含まれる混合材料が得られる。
【０００４】
一方、半導体装置の分野では、半導体膜としてアモルファスまたは多結晶のシリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られており、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ等のスイッチング素子として実用化されている。
【０００５】
近年、ＴＦＴ用の半導体膜の材料としてナノチューブ材料を用いることが検討されている。例えば、単層カーボンナノチューブを含む薄膜を用いて作製したＴＦＴの一例が特許文献１に記載されている。このような単層カーボンナノチューブを用いたＴＦＴには、アモルファスまたは多結晶のシリコンを用いたＴＦＴに比べ、製造プロセスの低温化が図れるという利点がある。そのため、プラスチック基板上への回路の形成が可能になり、装置の軽量化、低コスト化が図れるなど、多くの効果が期待されている。
【０００６】
しかしながら上述したように、現在の単層カーボンナノチューブの製造方法では、半導体性または金属性という異なる性質を有する二種類の単層カーボンナノチューブが含まれた混合材料しか得ることができない。したがって、単層カーボンナノチューブをチャネル層の薄膜として用いた関連するＴＦＴにおいては、チャネル層の薄膜中に存在する金属性を有するカーボンナノチューブの影響により、ＴＦＴのＯｎ／Ｏｆｆ比の低下や短絡、ＴＦＴ素子毎の電気特性のばらつきといった性能の低下が生じる。このことは、単層カーボンナノチューブに限らず、例えば、多層カーボンナノチューブ、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノチューブなど、誘電率の異なるナノチューブを含む他の混合材料を用いた場合においても同様である。
【０００７】
そこで、ナノチューブ材料を半導体装置に用いる場合には、例えば半導体性または金属性といった異なる誘電率を有する二種類の単層カーボンナノチューブを互いに分離することが重要となる。半導体性を有する単層カーボンナノチューブと金属性を有する単層カーボンナノチューブを分離する方法の一例が特許文献２に記載されている。特許文献２では、硫酸及び硝酸を混合した混酸溶液を製造し、この混酸溶液にカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散溶液を攪拌した後に、分散溶液をろ過し、ろ過されたカーボンナノチューブを加熱して官能基を除去することにより半導体性カーボンナノチューブを選別することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０７１８９８号公報（段落「００２０」〜「００３２」）
【特許文献２】特開２００５−１９４１８０（段落「００１６」〜「００２１」）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「ナノ  レターズ（ＮＡＮＯ  ＬＥＴＴＥＲＳ）」、（米国）、アメリカ化学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）、２００２年８月３０日、第２巻、第１０号、ｐ．１１３７−１１４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載された半導体性カーボンナノチューブの選別方法においては、６００〜１０００℃の熱処理が必要であることから工程が複雑になる、という問題があった。また、特許文献２に記載されたカーボンナノチューブの選別方法では、金属性カーボンナノチューブは反応により結合が破壊され、その後、使用することができないため、半導体性カーボンナノチューブの選別にしか用いることができない、という問題があった。さらに、特許文献２の選別方法は、カーボンナノチューブ以外のナノチューブ状物質に適用可能か不明である。
【００１１】
本発明の目的は、上述した課題である異なる誘電率を有するナノチューブ状物質の混合物から、所望の誘電率を有するナノチューブ状物質を簡便に分離することが困難である、という課題を解決するナノチューブ状物質の分離方法、製造方法及び分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のナノチューブ状物質の分離方法は、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる。
【００１３】
本発明のナノチューブ状物質の製造方法は、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタを配置し、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を基準方向と略平行な方向に配向させ、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させ、フィルタを通過したナノチューブ混合溶液から、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のうち、配向されていないナノチューブ状物質を回収する。
【００１４】
本発明のナノチューブ状物質の分離装置は、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液を収容する収容部と、収容部に連結され、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質を回収する回収部と、収容部に設けられ、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えたフィルタと、ナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用であって、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を基準方向と略平行な方向に配向させる電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置と、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる移動機構、とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のナノチューブ状物質の分離方法によれば、所望の誘電率を有するナノチューブ状物質を簡便に分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離方法および製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本明細書におけるナノチューブ状物質の向きを模式的に示した概略図である。
【図３】電界中のナノチューブ状物質を模式的に示した概略図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による別のカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による、さらに別のカーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図７】本発明の第１の実施形態によるカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図８】関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置の断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離方法および製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、まず、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質とを少なくとも含むナノチューブ混合溶液中に、フィルタを配置する（ステップＳ１１）。このフィルタは細孔を備え、細孔の孔径はナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の大きさである。
【００１９】
このナノチューブ混合溶液に対して、フィルタのフィルタ面と略平行な基準方向に制御された電磁的作用を施し（ステップＳ１２）、第１のナノチューブ状物質または第２のナノチューブ状物質のいずれか一方を基準方向と略平行な方向に配向させる（ステップＳ１３）。そして、フィルタとナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる（ステップＳ１４）。これにより、配向されたナノチューブ状物質はフィルタ面上に捕獲され、配向されていないナノチューブ状物質はフィルタを通過するので、ナノチューブ状物質が有する誘電率に応じて、ナノチューブ状物質を簡便に分離することができる。また、フィルタ面上に捕獲されたナノチューブ状物質、またはフィルタを通過した配向されていないナノチューブ状物質を回収する（ステップＳ１５）ことにより、第１の誘電率または第２の誘電率を有するナノチューブ状物質にそれぞれ分離したナノチューブ状物質を簡便に得ることができる。
【００２０】
ここで、本明細書においてナノチューブ状物質とは、ナノチューブ材料およびシリコンナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤ、金属ナノロッド類などを含めたものをいう。ナノチューブ材料としては、単層カーボンナノチューブ、金属内包カーボンナノチューブ、フラーレン内包単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ類が好適に用いられるが、これに限らず、窒化ホウ素（ＢＮ）ナノチューブ、有機ナノチューブなどを用いることもできる。
【００２１】
また、本明細書においてナノチューブ状物質の直径とは、ナノチューブ状物質の断面が円形である場合の直径に限らず、ナノチューブ状物質の長さ方向に垂直な断面における最大幅も含めて直径という。さらに、本明細書においてフィルタ面とは、フィルタとナノチューブ混合溶液の相対的な移動方向に垂直な面をいうものとする。
【００２２】
また、本明細書における「ナノチューブ状物質の向き」について図２を用いて説明する。図２に示すように、ナノチューブ状物質１００とナノチューブ状物質１００を完全に内包する長方形の辺とが二点以上で接し、かつ、この長方形の面積が最小となる場合を考える。本明細書においては、このナノチューブ状物質を内包する長方形の短辺１０１とナノチューブ状物質を内包する長方形の長辺１０２の比が１：２となるとき、この長方形の長辺方向の向きを「ナノチューブ状物質の向き１０３」という。また本明細書においてナノチューブ状物質が「所定の方向に配向した状態」とは、所定の方向に対するナノチューブ状物質群の配向確率分布をｐ（θ）としたとき、ｐ（θ）の半値全幅がθ＝±１５度以下である状態のことをいう。
【００２３】
次に、本実施形態によるナノチューブ状物質の配向について（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）、詳細に説明する。ここでは、電磁的作用として電場を印加する場合を例にとって説明する。図３は、電場中の１本のナノチューブ状物質１１１を模式的に示した概略図である。ナノチューブ状物質１１１は、例えば単層カーボンナノチューブで代表される。ナノチューブ状物質１１１を電場Ｅ（電場の方向１１２）の中に置くと、その両端に＋ｑおよび−ｑの誘電分極が生じる。この誘電分極によって生じた双極子モーメントと電場Ｅにより、ナノチューブ状物質１１１にはトルクＴ（トルクの方向１１３）が生じる。このトルクＴはナノチューブ状物質が電界の方向１１２と平行に配列するときに最小となる。したがって、特定の方向に制御された電磁的作用、例えば、直線偏光したレーザー光や交流電場をナノチューブ状物質に施すことにより、ナノチューブ状物質を電場の方向へ配向させることができる。
【００２４】
このトルクＴの強度は、ナノチューブ状物質の分極率により変化する。単層カーボンナノチューブについて、非特許文献１に開示されている一般的な数値を用いて分極率を求めると、半導体性を有する単層カーボンナノチューブの分極率は約５０〜７００Å２であるのに対して、金属性を有する単層カーボンナノチューブの分極率は１０６Å２のオーダとなる。そのため、金属性を有する単層カーボンナノチューブと半導体性を有する単層カーボンナノチューブに働くトルク強度には約１０４程度の差が生じる。誘電率は分極率にほぼ比例することから、単層カーボンナノチューブの誘電率に応じて、印加する電場の強度を制御することにより金属性を有する単層カーボンナノチューブのみを配向させることができる。
【００２５】
以下にナノチューブ状物質を配向させるのに必要な電場の強度について、さらに詳細に説明する。ナノチューブ状物質と電場との相互作用は以下に示す式を用いて表すことができる。すなわち、孤立した一本のナノチューブ状物質において、ナノチューブ状物質の長さをＬ、ナノチューブ状物質と電場Ｅとの成す角をθ、ナノチューブ状物質の分極テンソルをαとすると、電場中のナノチューブ状物質に与えられるトルクＴは次式で表される。
Ｔ（θ）＝αＬＥ２ｓｉｎ（２θ）                          （１）
また、そのときにナノチューブ状物質が持つエネルギーＵは
Ｕ（θ）＝（１／２）αＬＥ２ｓｉｎ２（θ）                 （２）
と表すことができる。ナノチューブ状物質が電場に対してθの角度へ向く確率ｐ（θ）は、エネルギーの式とデバイ−ランジュバン（Ｄｅｂｙｅ−Ｌａｎｇｅｖｉｎ）の式から、
ｐ（θ）∝ａ×ｅｘｐ（−αＥ２Ｌｓｉｎ２θ／２ｋＴ）      （３）
となる。ここで、ａは規格化定数、ｋはボルツマン定数、Ｔはナノチューブの温度である。配向した状態に必要な電場強度は、上述の定義よりｐ（θ）の半値全幅がθ＝±１５度となるのに必要な電場であるから、次の式が成り立つ。
０．５ｐ（０）＝ｐ（１５）                                （４）
この式を用いて、半導体性を有する単層カーボンナノチューブ及び金属性を有する単層カーボンナノチューブについて、配向した状態に必要な電場強度を求めると以下のようになる。ここで各数値には、それぞれ一般的に知られている値として以下のものを用いた。半導体性を有する単層カーボンナノチューブの分極テンソルαは非特許文献１より１．１×１０３Å２とし、単層カーボンナノチューブの長さは１μｍ、温度Ｔは３００Ｋとした。このとき、式（４）を満たす電場の強度Ｅｓは約１００Ｖ／ｍとなる。一方、金属性を有する単層カーボンナノチューブの場合、分極テンソルαは非特許文献１より７．８×１０５Å２とし、単層カーボンナノチューブの長さは１μｍ、温度Ｔは３００Ｋとした。このとき、式（４）を満たす電場の強度Ｅｍは約３Ｖ／ｍとなる。
【００２６】
以上より、金属性を有する単層カーボンナノチューブと半導体性を有する単層カーボンナノチューブをそれぞれ所定の方向に配向させるために必要な電場の強度には、約２桁の相違があることがわかる。このことから、金属性を有する単層カーボンナノチューブと半導体性を有する単層カーボンナノチューブが混在する領域に電場を作用させ、その電場の強度を制御することにより、金属性を有する単層カーボンナノチューブだけを電場の方向に配向させることができる。
【００２７】
次に、本実施形態による、ナノチューブ混合溶液に含まれるナノチューブ状物質の配向方法について（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）、図面を用いて詳細に説明する。ここでは、半導体性または金属性を示し、異なる誘電率を有する二種類の単層カーボンナノチューブの混合溶液を用いて説明するが、これに限らず、その他のナノチューブ状物質についても同様の方法により配向させることができる。
【００２８】
図４は、電磁的作用としてレーザー光を照射する場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。図４（ａ）に示すように、収容部としての容器２０１内に充填した単層カーボンナノチューブ混合溶液に対して、偏光方向を制御したレーザー光２０２を照射し、レーザー照射領域２０３および非照射領域２０４を形成する。図４（ｂ）に、非照射領域２０４における金属性を有するカーボンナノチューブ２０５及び半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在する金属性及び半導体性を有するカーボンナノチューブはいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００２９】
図４（ｃ）に、レーザー照射領域２０３におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。本実施形態では、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５はレーザー光２０２の光電場によりレーザー光２０２の偏光方向２０８に配向し、半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６は自由に回転しランダムな方向に向くように、レーザー光２０２の強度を制御した。このとき、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５はレーザー光２０２が照射され続ける限り、光電場の偏光方向２０８へと配向し続けるため、レーザー照射領域２０３は金属性を有するカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３０】
図５は、電磁的作用として交流電場を印加する場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。図５（ａ）に示すように、容器２０１内に一対の交流電圧発生用電極２０９が設けられ、単層カーボンナノチューブ混合溶液が充填されている。交流電圧発生用電極２０９の間に交流電圧を印加し、容器２０１内に交流電場印加領域２０３−２および交流電場非印加領域２０４−２を形成する。図５（ｂ）に、交流電場非印加領域２０４−２における金属性を有するカーボンナノチューブ２０５及び半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在する金属性及び半導体性を有するカーボンナノチューブはいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００３１】
図５（ｃ）に、交流電場印加領域２０３−２におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。本実施形態では、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５は交流電圧発生用電極２０９間に印加された電場の方向２１０に配向し、半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６は自由に回転しランダムな方向に向くように、交流電場の強度を制御した。このとき、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５は交流電場が印加され続ける限り、電場の方向２１０へと配向し続けるため、交流電場印加領域２０３−２は金属性を有するカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３２】
図６に、交流磁場発生装置を用いて電磁的作用を施す場合における、カーボンナノチューブ混合溶液を収容する容器及び容器内のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図を示す。図６（ａ）に示すように、容器２０１内に交流磁場発生装置２１１が設けられ、単層カーボンナノチューブ混合溶液が充填されている。交流磁場発生装置２１１による交流磁場によって誘導された交流電場を発生させ、容器２０１内に交流電場発生領域２０３−３および交流電場非発生領域２０４−３を形成する。図６（ｂ）に、交流電場非発生領域２０４−３における金属性を有するカーボンナノチューブ２０５及び半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６の状態を模式的に示す。容器壁２０７内に存在する金属性及び半導体性を有するカーボンナノチューブはいずれも溶液中においてランダムな方向に向いている。
【００３３】
図６（ｃ）に、交流電場発生領域２０３−３におけるカーボンナノチューブの状態を模式的に示す。交流磁場発生装置２１１によって発生した磁場の方向２１２と誘導された電場の方向２１３は垂直となる。本実施形態では、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５は交流磁場発生装置２１１によって発生した磁場に誘導された電場の方向２１３に配向し、半導体性を有するカーボンナノチューブ２０６は自由に回転しランダムな方向に向くように、交流磁場の強度を制御した。このとき、金属性を有するカーボンナノチューブ２０５は交流磁場が印加され続ける限り、誘導された電場の方向２１３へと配向し続けるため、交流電場発生領域２０３−３は金属性を有するカーボンナノチューブ２０５が配向した領域となる。
【００３４】
次に、本実施形態による、配向させたナノチューブ状物質を分離する方法について（図１のステップＳ１１、Ｓ１４）、図面を用いて詳細に説明する。図７は、カーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示した概略図である。図７（ａ）に示すように、フィルタ基材３０１に細孔３０２を備えたフィルタ３０３がカーボンナノチューブ混合溶液中に配置される（図１のステップＳ１１）。カーボンナノチューブ混合溶液中には、金属性を有するカーボンナノチューブ３０５と半導体性を有するカーボンナノチューブ３０６が共にランダムな方向を向いている非配向領域３０７と、金属性を有するカーボンナノチューブ３０５が電磁的作用によりフィルタ面と平行な方向に配向した配向領域３０８が形成されている（図１のステップＳ１２、Ｓ１３）。ここで、フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を、図７（ａ）中に示す移動方向３０４の向きに相対速度ｖで相対的に移動させる（図１のステップＳ１４）。フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を相対的に移動させる方法として、カーボンナノチューブ溶液をフィルタ３０３の方向へ流動させる方法と、カーボンナノチューブ混合溶液中においてフィルタ３０３を移動させる方法のいずれを用いることとしてもよい。図７ではフィルタ３０３を移動方向３０４の向きに移動させる場合を示す。
【００３５】
図７（ｂ）に、フィルタ３０３とカーボンナノチューブ混合溶液を相対的に移動させた後のカーボンナノチューブを模式的に示した概略図を示す。配向領域３０８の金属性を有するカーボンナノチューブ３０５はフィルタ３０３と平行な方向に配向している。そして細孔３０２の孔径は、カーボンナノチューブの長軸方向の長さの最大値とカーボンナノチューブの直径との間の大きさであり、好適には、金属性を有するカーボンナノチューブの長さの最小値と同程度とすることができる。したがって、金属性を有するカーボンナノチューブ３０５は細孔３０２を通過することができない。その結果、金属性を有するカーボンナノチューブ３０５はフィルタ３０３の表面に蓄積されカーボンナノチューブ残渣３０９を形成する。一方、半導体性を有するカーボンナノチューブ３０６はカーボンナノチューブ混合溶液中でランダムに回転することができる。そのため、細孔３０２を通過しフィルタ３０３の後方にカーボンナノチューブ溶液３１０を形成する。
【００３６】
以上より、金属性を有するカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ残渣３０９に、半導体性を有するカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ溶液３１０に、それぞれ分離される。そして、カーボンナノチューブ残渣３０９から金属性を有するカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブ溶液３１０から半導体性を有するカーボンナノチューブをそれぞれ回収することにより（図１のステップＳ１５）、金属性または半導体性を有するカーボンナノチューブの一方を主成分とするナノチューブ状物質を簡易に得ることができる。
【００３７】
上述のように回収したナノチューブ状物質について、紫外可視近赤外分光装置、顕微ラマン分光装置、質量分析装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡などを用いて評価することにより、ナノチューブ状物質の物性を確認することができる。特に、ナノチューブ状物質が単層カーボンナノチューブである場合は、紫外可視近赤外分光装置と顕微ラマン分光装置を用いることにより、試料に含まれる金属性または半導体性を有するカーボンナノチューブの組成比率を測定することができる。本実施形態によるカーボンナノチューブ溶液３１０について測定した結果、半導体性を有する単層カーボンナノチューブの組成比率が向上していることが確認できた。
【００３８】
図８に比較例として、関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置したときのカーボンナノチューブを模式的に示す。関連するカーボンナノチューブ混合溶液中においては、フィルタ３０３近傍の全域にわたって、金属性を有するカーボンナノチューブ３０５と半導体性を有するカーボンナノチューブ３０６はいずれもランダムな方向を向いている（図８（ａ））。ここで、カーボンナノチューブ混合溶液中でフィルタ３０３を移動方向３０４の向きに相対速度ｖで移動させる。この場合、フィルタ３０３の表面には細孔３０２を通過することができない残渣３１１と、細孔３０２を通過したカーボンナノチューブを含むフィルタ通過溶液３１２が形成される。しかしながら、カーボンナノチューブは柔軟性を有し、かつ、フィルタ３０３に対してランダムな方向を向いて接するため、金属性または半導体性を有するカーボンナノチューブはいずれも同じ割合で細孔３０２を通過する。そのため、残渣３１１とフィルタ通過溶液３１２における、金属性を有するカーボンナノチューブと半導体性を有するカーボンナノチューブの存在割合は変化しない。したがって、関連するカーボンナノチューブ混合溶液中にフィルタを配置し、カーボンナノチューブ混合溶液中でフィルタを移動させることとしても、金属性を有するカーボンナノチューブと半導体性を有するカーボンナノチューブを分離することはできない。
【００３９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置４００の断面図である。ナノチューブ状物質の分離装置４００は、ナノチューブ混合溶液を収容する収容部を構成する貯蔵容器４０１と流路４０２と、流路４０２の貯蔵容器４０１と反対側に接続された回収部としての回収容器４０３、流路４０２内に設けられたフィルタ４０４と、電磁的作用を発生させる電磁的作用発生装置としてのレーザー光源４０５とを有する。フィルタ４０４は、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えている。ここで、貯蔵容器４０１と流路４０２は、ナノチューブ混合溶液が貯蔵容器から流出して流路４０２内を流動し、フィルタ４０４を通過するように配置されており、移動機構を構成している。
【００４０】
ナノチューブ混合溶液には、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質が含まれている。本実施形態では、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質として金属性を有する単層カーボンナノチューブを、第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質として半導体性を有する単層カーボンナノチューブを用いた。金属性および半導体性を有する単層カーボンナノチューブの混合物を、ホーン（Ｈｏｒｎ）型超音波分散器により溶媒としての界面活性剤水溶液中に分散させた。この後に、超遠心分離を行って得られた溶液の上澄みを分取することにより、カーボンナノチューブ混合溶液が得られる。
【００４１】
貯蔵容器４０１に導入されたカーボンナノチューブ混合溶液は、貯蔵容器４０１から流出し、流路４０２内を移動しながらフィルタ４０４を通過して回収容器４０３に至る移動経路４０６を流動する。本実施形態ではフィルタ４０４として細孔の平均直径が約０．５マイクロメートルであるメンブレンフィルタを用いた。
【００４２】
フィルタ４０４近傍の貯蔵容器４０１側の流路内を流動するカーボンナノチューブ混合溶液に対して、レーザー光源４０５からレーザー光４０７が照射される。ここでレーザー光４０７は、フィルタ面と略平行な偏光方向４０８に制御されている。そして、レーザー光４０７の強度は、金属性を有するカーボンナノチューブがレーザー光４０７の光電場により偏光方向４０８に配向し、半導体性を有するカーボンナノチューブは自由に回転しランダムな方向に向くように制御した。金属性を有するカーボンナノチューブはレーザー光４０７が照射され続ける限り、光電場の偏光方向４０８へと配向し続けるため、レーザー光４０７が照射された領域に金属性を有するカーボンナノチューブが配向した配向領域４０９が形成される。
【００４３】
フィルタ面と略平行な偏光方向４０８に配向した金属性を有するカーボンナノチューブはフィルタ４０４を通過できないので、フィルタ４０４の表面にカーボンナノチューブ残渣として堆積する。一方、半導体性を有するカーボンナノチューブは自由に回転しランダムな方向に向くことができるので、フィルタ４０４を通過しカーボンナノチューブ溶液４１０として流路４０２内を移動経路４０６に沿ってさらに流動し、回収容器４０３に至る。
【００４４】
回収容器４０３から回収されたカーボンナノチューブ溶液４１０とフィルタ４０４の表面に堆積したカーボンナノチューブ残渣について、紫外可視近赤外吸光分析装置と顕微ラマン分光器を用いて組成の分析を行った。その結果、カーボンナノチューブ残渣においてはカーボンナノチューブ混合溶液と比べて、金属性を有する単層カーボンナノチューブの組成比率が増大していることがわかった。一方、カーボンナノチューブ溶液４１０においては、半導体性を有する単層カーボンナノチューブの組成比率が増大していることが確認できた。上述したように、本実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置４００によれば、所望の誘電率を有するナノチューブ状物質を簡便に分離することができる。
【００４５】
本実施形態では、電磁的作用発生装置としてレーザー光源を用いることとしたが、これに限らず、電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を発生させる交流電場発生装置、または電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置を用いることとしてもよい。
【００４６】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置５００の断面図である。図１０（ａ）に示すように、ナノチューブ状物質の分離装置５００は、ナノチューブ混合溶液５０１を収容する収容部を構成する容器５０２と、この容器５０２内に設けられたフィルタ５０３と、電磁的作用発生装置としての交流電場発生装置を構成する電場印加用電極５０４とを有する。電場印加用電極５０４はフィルタ５０３の近傍に配置され、フィルタ移動装置５０５により両者は連動して容器５０２の上下方向に移動可能に構成されている。フィルタ５０３は、ナノチューブ状物質の長軸方向の長さの最大値とナノチューブ状物質の直径との間の孔径を有する細孔を備えている。本実施形態ではフィルタ５０３として細孔の平均直径が約０．５マイクロメートルであるメンブレンフィルタを用いた。
【００４７】
ナノチューブ混合溶液５０１には、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質と第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質が含まれている。本実施形態では、第１の誘電率を有する第１のナノチューブ状物質として金属性を有する単層カーボンナノチューブを、第２の誘電率を有する第２のナノチューブ状物質として半導体性を有する単層カーボンナノチューブを用いた。金属性および半導体性を有する単層カーボンナノチューブの混合物を、ホーン（Ｈｏｒｎ）型超音波分散器により溶媒としての界面活性剤水溶液中に分散させた。この後に、超遠心分離を行って得られた溶液の上澄みを分取することにより、カーボンナノチューブ混合溶液５０１が得られる。
【００４８】
フィルタ５０３近傍のカーボンナノチューブ混合溶液５０１に対して、電場印加用電極５０４を介して交流電場が印加される。この交流電場は、フィルタ面と略平行な方向に電場の振動方向５０６が制御されている。そして、電場の強度は、金属性を有するカーボンナノチューブが電場の振動方向５０６に配向し、半導体性を有するカーボンナノチューブは自由に回転しランダムな方向に向くように制御した。金属性を有するカーボンナノチューブは交流電場が印加され続ける限り、電場の振動方向５０６へと配向し続けるため、交流電場が印加された領域に金属性を有するカーボンナノチューブが配向した配向領域５０７が形成される。
【００４９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、フィルタ移動装置５０５によりフィルタ５０３と電場印加用電極５０４を、ナノチューブ混合溶液５０１の表面に向かう方向（図１０のフィルタ移動方向５０８）に移動させる。このときフィルタ面と略平行な電場の振動方向５０６に配向した金属性を有するカーボンナノチューブはフィルタ５０３を通過できないので、フィルタ５０３の表面にカーボンナノチューブ残渣５０９として堆積する。一方、半導体性を有するカーボンナノチューブは自由に回転しランダムな方向に向くことができるので、フィルタ５０３を通過しカーボンナノチューブ溶液５１０として容器５０２のフィルタ５０３よりも下部領域に残留する。
【００５０】
図１０（ｃ）に示すように、フィルタ５０３と電場印加用電極５０４をナノチューブ混合溶液５０１の表面まで移動させる。この後に、フィルタ５０３の表面に堆積したカーボンナノチューブ残渣５０９と容器５０２に残留したカーボンナノチューブ溶液５１０について、紫外可視近赤外吸光分析装置と顕微ラマン分光器を用いて組成の分析を行った。その結果、カーボンナノチューブ残渣５０９においてはカーボンナノチューブ混合溶液５０１と比べて、金属性を有する単層カーボンナノチューブの組成比率が増大していることがわかった。一方、カーボンナノチューブ溶液５１０においては、半導体性を有する単層カーボンナノチューブの組成比率が増大していることが確認できた。上述したように、本実施形態に係るナノチューブ状物質の分離装置５００によれば、所望の誘電率を有するナノチューブ状物質を簡便に分離することができる。
【００５１】
本実施形態では、電磁的作用発生装置として交流電場発生装置を用いることとしたが、これに限らず、偏光方向がフィルタ面と略平行なレーザー光を発生させるレーザー光発生装置、または電場の振動方向がフィルタ面と略平行な交流電場を誘導する交流磁場を発生させる交流磁場発生装置を用いることとしてもよい。
【００５２】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１００、１１１    ナノチューブ状物質
１０１    ナノチューブ状物質を内包する長方形の短辺
１０２    ナノチューブ状物質を内包する長方形の長辺
１０３    ナノチューブ状物質の向き
１１２    電場の方向
１１３    トルクの方向
２０１    容器
２０２、４０７    レーザー光
２０３    レーザー照射領域
２０３−２    交流電場印加領域
２０３−３    交流電場発生領域
２０４    非照射領域
２０４−２    交流電場非印加領域
２０４−３    交流電場非発生領域
２０５、３０５    金属性を有するカーボンナノチューブ
２０６、３０６    半導体性を有するカーボンナノチューブ
２０７    容器壁
２０８、４０８    偏光方向
２０９    交流電圧発生用電極
２１０    電場の方向
２１１    交流磁場発生装置
２１２    磁場の方向
２１３    誘導された電場の方向
３０１    フィルタ基材
３０２    細孔
３０３、４０４、５０３    フィルタ
３０４    移動方向
３０７    非配向領域
３０８、４０９、５０７    配向領域
３０９、５０９    カーボンナノチューブ残渣
３１０、４１０、５１０    カーボンナノチューブ溶液
４００、５００    ナノチューブ状物質の分離装置
４０１    貯蔵容器
４０２    流路
４０３    回収容器
４０５    レーザー光源
４０６    移動経路
５０１    ナノチューブ混合溶液
５０２    容器
５０４    電場印加用電極
５０５    フィルタ移動装置
５０６    電場の振動方向
５０８    フィルタ移動方向
【図１】
2010254494.tif 000003
【図２】
2010254494.tif 000004
【図３】
2010254494.tif 000005
【図４】
2010254494.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010254494.tif 000008
【図７】
2010254494.tif 000009
【図８】
2010254494.tif 000010
【図９】
2010254494.tif 000011
【図１０】
2010254494.tif 000012